CN113916629B - 一种孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法，可实现裂纹样本的高效制备、提高试验效率。在多孔平板拉伸试件上沿载荷施加方向排布四个孔，从而在试验件上造成应力集中以作为裂纹萌生的潜在位置；依据PoD曲线上可能存在漏检的样本区间，确定试验所需要的裂纹长度区间[al,au]，通过调整试件尺寸，结合三维裂纹扩展模拟，保证[al,au]处于稳态裂纹扩展阶段；在试件一侧的孔边应力集中部位采用电火花按照斜45°方向切割预制缺口，使得应力集中部位在试件两侧萌生长度不同的裂纹，从而有效增加裂纹样本长度的多样性，以提高PoD曲线的建模精度。基于本发明可实现孔边表面裂纹PoD试验的试件高效制备，大幅提升PoD数据获取的试验效率。
Description
技术领域
本发明涉及航空维修领域，是一种孔边表面缺陷检出概率(Probability ofDetection,PoD)试验的试件设计及试验方法。
背景技术
航空发动机涡轮部件长期工作在高温、高转速极端服役条件下，既要承受交变离心大载荷，又要叠加盘心-盘缘大温差导致的热应力，服役条件极为恶劣。此外，轮盘及盘环类零件通常由于螺栓连接、通气等设计要求需开孔，造成应力集中，极易诱发疲劳失效。因此在发动机进行返厂检修时，通常会进行无损检测，以降低孔边应力集中部位服役期间因疲劳断裂导致的失效风险。为评估返厂维修中所采用的检测手段的有效性，必须开展缺陷检测试验以积累大量的裂纹样本从而量化无损检测的随机性，而直接采用发动机的零部件制备大量的裂纹样本会使成本极其高昂。因此，有必要采用一种高效试件制备方法，其制备过程需能够再现孔边缺陷的形成过程，且在满足试验所需的大量裂纹的前提下尽可能降低成本。这对无损探伤检测试验的开展有重要意义。
对孔边表面裂纹PoD试验试件的制备存在以下显著问题：(1)如何在满足试验要求的所需最小裂纹数量条件下，尽可能减少制备试件的数量以降低成本、加快试验速度，同时能够防止试验过程中试件断裂以提高试验成功率。(2)如何在提高裂纹样本获取效率的同时保证试验中相邻孔的疲劳裂纹的扩展不会相互干扰。(3)如何确保检测裂纹样本与真实零部件服役条件下产生的裂纹形态一致。在查阅了已有专利和文献后，并未发现可以能够解决上述三个核心问题的PoD试验试件制备的方法，因此有必要设计一种孔边表面裂纹PoD试验的多孔平板拉伸试件设计及试验方法。
发明专利CN109612806A设计了一种适用于表面PoD的试件，但是其并没有清晰描述电火花预制缺口的方式、裂纹长度的确定方法等试件制备和试验方法，而试件两侧萌生裂纹长度不同、保证试件在疲劳试验中不发生阶段断裂是实现多孔平板拉伸试件高效制备的重要条件；同时四方型的打孔方式会使得两孔内侧萌生的裂纹之间相互影响，存在试验件断裂导致有效样本数量减少的风险。
发明专利CN104392122A公开了一种裂纹PoD的概率寿命评估方法，该专利的主要特征在于建立相应的PoD模型并进行概率寿命评估。
现有文献“李政鸿,徐武,张晓晶,余音.多孔多裂纹平板的疲劳裂纹扩展试验与分析方法[J].航空学报,2018,39(07):154-162.”所采用的试件具有多孔特征，但是其采用多孔试件的目的在于研究多裂纹扩展之间的影响，因此试件设计需要裂纹扩展过程中相互干扰；
现有指导手册“Annis C,Bray E,Hardy H,et al.Nondestructive evaluationsystem reliability assessment[J].United States Department of Defense,Wright-Patterson AFB,Handbook MIL-HDBK-1823,1999.”中给出了无损检测的相关测试流程和评估程序，其中给出了一种在试件两侧大圆弧处预制穿透型缺口并制备裂纹样本的方法。穿透型缺口在疲劳载荷作用下，将在试件两侧表面产生长度基本一致的裂纹样本，从而降低了单个试件裂纹样本的多样性，降低了裂纹样本的获取效率。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种孔边表面裂纹PoD试验的多孔平板拉伸试件设计及试验方法，满足PoD试验需求，且利用多孔平板拉伸试件有效增加单个试件上的裂纹数量，实现了孔边表面裂纹PoD试验的裂纹样本高效制备，有效提高了检测裂纹的获取效率。本发明的设计了一种多孔平板拉伸试件，给出了孔边表面裂纹无损检测随机性量化的试验方法，有效提高了检测裂纹的制备效率，特别是表面裂纹PoD评价方向。
本发明的技术解决方案是：一种孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法，包括如下步骤：
步骤1：多孔平板拉伸试件上沿载荷施加方向排布四个孔，在试验件上造成应力集中部位以作为裂纹萌生的潜在位置，应力集中部位相互之间的裂纹扩展行为互不影响，每个试件单面有8处应力集中部位，双面最多可获取16个裂纹样本，极大地提高了裂纹样本制备效率；
步骤2：根据所采用无损检测技术PoD曲线上可能存在漏检的样本区间确定所需要的裂纹长度区间[al,au]，al、au分别为裂纹长度区间的上下界。同时通过裂纹长度反算疲劳试验所需载荷，通过三维裂纹扩展有限元模拟，计算得到临界裂纹长度aIC，并设置au≤0.8aIC，确保[al,au]处于稳态裂纹扩展阶段，当试件某处裂纹长度达到au时停止加载。如不满足上述要求，应对试件孔径、考核段宽度等几何尺寸及疲劳载荷进行调整。
步骤3：预先根据裂纹样本数量需求，制备多孔平板拉伸试件；为加快试验速度、提高裂纹样本制备效率，在试件单面的孔边应力集中部位采用电火花按照斜45°方向切割预制缺口。
步骤4：开展疲劳裂纹扩展试验，通过疲劳载荷加载在孔边表面产生疲劳裂纹，在疲劳试验的过程中实时观测裂纹长度，在疲劳试验后通过扫描电镜或光学显微镜测量裂纹长度并统计所获得的裂纹样本数量，重复试验直至裂纹样本数量满足给定置信度下估计母体百分位值的最少样本个数判据。
进一步的，所述步骤1中，多孔平板拉伸试件的四个孔沿载荷施加方向排列，孔沿加载方向排列目的是不影响孔边垂直加载方向裂纹扩展路径上的应力分布，以保证多孔结构设计对孔边裂纹扩展行为不造成附加影响；同时多孔结构可产生的应力集中部位多，能够高效获取裂纹样本。
进一步的，所述步骤2中，为保证PoD模型在较小缺陷尺寸处PoD取值接近0、在较大尺寸处PoD取值接近1的特征，需确定合适的裂纹长度区间[al,au]，使得缺陷在小尺寸处及大尺寸处均有一定数量的数据样本，并通过裂纹长度au反算疲劳试验所需载荷。同时，为防止疲劳试验过程中试件发生断裂而造成裂纹样本失效，采用裂纹分析软件进行三维裂纹扩展数值模拟得到临界裂纹长度aIC，并设定疲劳裂纹长度达到80％aIC时停止试验，能够最大程度上，以避免材料分散性导致的试验件断裂；
进一步的，所述步骤3中，多孔平板拉伸试件采用电火花在试件一侧的孔边应力集中部位按照斜45°方向切割预制缺口，单面预制缺口和按斜45°方向切割的原因在于使得应力集中部位在试件两侧萌生长度不同的裂纹，从而有效增加裂纹样本长度的多样性，以保证PoD模型的建模精度；
进一步的，所述步骤4中，通过疲劳载荷加载获得与孔边表面裂纹形态一致的裂纹。针对航空发动机无损检测中常用的荧光渗透法，由于荧光剂的着色与液体的表面张力相关，使得着色效果主要受裂纹尖端几何特征的影响，裂纹尖端越尖，相对应的着色越深。因此为了准确描述真实的孔边表面裂纹缺陷的检出概率，必须保证试验件的裂纹尖端几何特征与真实构件在服役过程中产生的疲劳裂纹一致。通过疲劳试验模拟真实孔边的受力及损伤状态，能够保证试验件的裂纹尖端几何特征与孔边表面疲劳裂纹一致。
有益效果：
(1)本发明的主要特征在于从试验的角度出发，通过裂纹扩展行为互不影响的多孔特征试件增加单个试件的裂纹数量，从而提高裂纹样本的制备效率、加快PoD试验速度。
(2)而本发明是通过多孔特征试件来提高单个试件的裂纹样本获取效率，裂纹之间并无相互作用。
(3)但是本发明对电火花线切割方向提出了特殊要求，使得试件两侧的裂纹长度不同，有效增加了裂纹长度的多样性，有助于提升PoD模型的精度和置信度。
(4)本发明提出多孔平板试验件设计方案，单个试件最多能够获得16个裂纹样本；对电火花线切割方向提出限定，使得试件两侧在同一孔边位置的裂纹长度存在显著差异，从而有效提高PoD试验中裂纹样本的制备效率及多样性。
综上，本发明相比于现有技术，将在孔边表面裂纹制备效率和裂纹长度多样性等方面取得技术进步，以实现表面裂纹PoD试验样本的高效率、高质量制备。
附图说明
图1为本发明孔边表面裂纹PoD多孔平板拉伸试件结构示意图；
图2为拟合PoD曲线需要的裂纹长度区间示意图；
图3为稳态裂纹扩展区间示意图；
图4为本发明采用电火花按照斜45°方向预制缺口示意图；
图5为本发明多孔拉伸试件裂纹观测位置示意图；
图6为采用光学显微镜/扫描电镜测量裂纹长度示意图；
图7为试验得到的检测裂纹长度值与裂纹真实长度a之间关系数据；
图8为开展表面裂纹PoD试验的试验结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的实施例，本发明主要针对孔边表面裂纹PoD试验的多孔平板拉伸试件设计及试验方法。具体试验实施方式如下：
步骤一：试件设计：多孔平板拉伸试件1上沿载荷施加方向排布四个孔2，在试件一面每个孔两侧都有应力集中部位3可能萌生裂纹，如图1所示；如图2，根据所采用的无损检测技术确定拟合PoD曲线需要的裂纹长度区间[al,au]，al、au分别为裂纹长度区间的上下界。同时通过裂纹长度反算疲劳试验所需载荷，为确保[al,au]处于稳态裂纹扩展阶段(如图3所示)同时避免计算误差的影响，通过有限元模拟软件(FRANC3D)开展三维裂纹扩展模拟，计算得到临界裂纹长度aIC，并设置au≤0.8aIC。如不满足上述要求，应对试件孔2的直径、考核段宽度4等几何尺寸或疲劳载荷进行调整；
步骤二：根据孔边裂纹PoD试验的置信度、可靠度和误差限度要求，确定估计母体百分位值的最少样本个数，计算公式为：
其中s分别表示样本总体的均值和标准差，/>表示变异系数，由N个试验裂纹样本计算得到；δ表示误差限度，p表示可靠度，a为置信度，ta为给定置信度a下t分布的数值，/>为标准差修正系数，up表示标准正态偏量。无损探伤一般取δ＝5％，p＝99.9％，置信度水平取(1-a)为95％；
步骤三：预先根据裂纹样本数量需求，制备多孔平板拉伸试件；为加快试验速度、提高裂纹样本制备效率，在试件单面的孔边应力集中部位3处采用电火花按照斜45°方向切割预制缺口(如图4所示)，因此应力集中部位在试件两侧萌生长度不同的裂纹，每个试件有4处通孔2，每个通孔2有两处应力集中位置，正反2面一共有16处观测位置，如图5所示，从而有效增加裂纹样本长度的多样性。
步骤四：开展疲劳试验，通过疲劳载荷加载在孔边表面产生疲劳裂纹。试验过程中每隔一定循环数间隔，需要采用长焦显微镜对多孔平板拉伸试件1两侧应力集中部位的裂纹状态进行实时监测，当试件某处裂纹长度达到au时停止试验。在试件1进行无损检测之前，采用光学显微镜或扫描电镜对各孔边应力集中位置的裂纹长度进行测量，如图6所示，以获得各样本的实际裂纹长度；
步骤五：对前述进行疲劳试验的多孔平板拉伸试件1进行无损检测，在无损检测过程中，检测环境(如磁场、声波及光线状态)需保证与真实检测过程一致，以保证所得数据准确可靠；被检测试件在完成制备之后，需放入专门的试件袋中保存，并粘上保护胶带对检测表面进行防护，以免出现划痕等人为损伤；
步骤六：得到裂纹长度响应输出与真实尺寸a之间关系数据，如图7所示。采用一次多项式形式拟合响应输出/>与真实尺寸a之间的关系，即：
式中，β0、β1需采用线性回归进行拟合，f(a)、分别为以a、/>为自变量的函数，β0、β1拟合过程中可采用四种检测数据的呈现形式作图，包括/> 依据结果选出线性相关程度最好的方式。例如，当/>型数据关系线性相关程度最强时，令f(a)＝log(a)，/>将f(a)、/>代入/>并开展回归分析，采用最大似然估计获取拟合参数β0、β1取值。进一步，可采用正态模型作为PoD模型的基本形式：
式中，Q(zi)为标准正态分布的累积概率分布，μ、σ为拟合参数。通过统计响应输出的函数值/>与真实尺寸a的函数值f(a)的标准差而确定给定置信度下的PoD模型。例如，置信度α＝95％下，预测值/>置信区间上限可表示为：
式中，1.645为标准正态分布置信度α＝95％下对应的自变量取值，y＝f(a)，置信度α＝95％意味着，在该PoD取值下，对应缺陷尺寸有95％的可能性落在该点的左侧。最后绘制PoD-a曲线，则可从图中得到裂纹长度对应检出概率的关系。
利用本发明试件1进行孔边表面裂纹PoD试验。首先开展疲劳裂纹扩展试验，在试验过程中，在应力比Rσ＝0.1、温度T＝430℃(偏心孔考核部位对应温度)条件下开展低循环疲劳试验，通过三维裂纹扩展有限元模拟后计算得到终止试验的裂纹长度为2.2mm，开展多次试验，并利用试验结果建立PoD模型，得到的试验结果如图8所示，曲线A表示在置信度为50％时不同的裂纹长度对应的检出概率PoD值，曲线B表示在置信度为95％时不同的裂纹长度对应的检出概率PoD值；a90/50、a90/95表示检出概率为90％时，置信度分别为50％、95％所对应的裂纹长度。由于置信区间上下界平行于线性回归拟合的中值直线(α＝50％)，其间距为1.645σy，因而可将数据直接拟合所得PoD曲线(α＝50％)向右平移1.645σy，即可得到置信度α＝95％下的PoD曲线。此时通过表面裂纹PoD试验就可以量化无损检测过程中的检测随机性，获得检测技术可能遗漏的缺陷最大尺寸，从而有效评估检测结果。试验表明本发明试件高效制备方法能够提高PoD试验速度并降低试验成本。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (5)
1.一种孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：多孔平板拉伸试件上沿载荷施加方向排布四个孔，在试验件上造成应力集中以作为裂纹萌生的潜在位置，应力集中部位相互之间的裂纹扩展行为互不影响，每个试件最多获取16个裂纹样本；
步骤2：根据所采用无损检测技术缺陷检出概率PoD曲线上可能存在漏检的样本区间确定所需要的裂纹长度区间[al,au]，al、au分别为裂纹长度区间的上下界，同时通过裂纹长度反算疲劳试验所需载荷，通过有限元模拟软件开展三维裂纹扩展模拟，计算得到临界裂纹长度aIC，并设置au≤0.8aIC，确保[al,au]处于稳态裂纹扩展阶段，当试件某处裂纹长度达到au时停止加载；
步骤3：预先根据裂纹样本数量需求，制备多孔平板拉伸试件；为加快试验速度、提高裂纹制备效率，在试件一侧的孔边应力集中部位采用电火花按照与水平面的夹角为斜45°方向切割预制缺口；
步骤4：开展疲劳裂纹扩展试验，通过疲劳载荷加载获得与孔边裂纹形态一致的裂纹，在疲劳试验的过程中实时观测裂纹长度，在疲劳试验后通过扫描电镜或光学显微镜测量裂纹长度并统计所获得的裂纹样本数量，重复试验直至裂纹样本数量满足给定置信度下估计母体百分位值的最少样本个数判据。
2.根据权利要求1所述的孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法，其特征在于：所述步骤1中，多孔平板拉伸试件的四个孔沿载荷施加方向排列，孔沿加载方向排列目的是不影响孔边垂直加载方向裂纹扩展路径上的应力分布，以保证多孔结构设计对孔边裂纹扩展行为不造成附加影响；同时多孔结构产生的应力集中部位多，能够高效获取裂纹样本。
3.根据权利要求1所述的孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法，其特征在于：所述步骤2中，为保证PoD模型在缺陷尺寸<0.3au处接近0、在缺陷尺寸>0.7au处接近1的特征，需确定合适的裂纹长度区间[al,au]，使得缺陷在PoD取值均为0的小尺寸区域及PoD取值均为1的大尺寸区域有预定数量的数据点分布，并通过裂纹长度au反算疲劳试验所需载荷；同时，为防止疲劳试验过程中试件发生断裂而造成裂纹样本失效，开展三维裂纹扩展有限元模拟得到临界裂纹长度aIC，并设定在裂纹长度达到80％aIC时停止加载，以避免材料分散性导致的试验件断裂。
4.根据权利要求1所述的孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法，其特征在于：所述步骤3中，多孔平板拉伸试件采用电火花在试件一侧的孔边应力集中部位按斜45°方向切割预制缺口，单面预制缺口和按斜45°方向切割的原因在于使得应力集中部位在试件两侧萌生长度不同的裂纹，从而有效增加裂纹样本长度的多样性，以提高PoD曲线的建模精度。
5.根据权利要求1所述的孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法，其特征在于：所述步骤4中，通过疲劳载荷加载获得与孔边裂纹形态一致的裂纹；针对航空发动机无损检测中常用的荧光渗透法，由于荧光剂的着色与液体的表面张力相关，使得着色效果主要受裂纹尖端几何特征的影响，裂纹尖端越尖，相对应的着色越深；因此为了准确描述真实的孔边表面裂纹缺陷的检出概率，必须保证试验件的裂纹尖端几何特征与真实裂纹一致；通过疲劳试验器产生疲劳载荷并模拟真实孔边的受力状态，能够保证试验件的裂纹尖端几何特征与真实裂纹一致。
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| CN106596301A (zh) * | 2016-11-30 | 2017-04-26 | 中国直升机设计研究所 | 一种直升机金属结构缺陷检查周期确定方法 |
| CN109612806A (zh) * | 2019-02-25 | 2019-04-12 | 北京航空航天大学 | 一种适用于表面裂纹缺陷检出概率试验的高效试件制备及试验方法 |
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- 2021-10-11 CN CN202111182243.8A patent/CN113916629B/zh active Active
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|---|
| 母体百分位值的置信下限;傅惠民,高镇同,徐人平;北京航空航天大学学报(第03期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
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